Фамилия Сембирцев — довольно редкая и её происхождение не лежит на поверхности. В отличие от фамилий на -ов/-ев, образованных от имён или профессий, здесь мы имеем дело с моделью, указывающей на место жительства или происхождение предка. Основа фамилии — топоним Сембир, который, в свою очередь, с высокой вероятностью является диалектным или историческим вариантом названия города Симбирск (ныне Ульяновск). В народной речи и в местных говорах звук «и» после мягкого «с» мог переходить в «е»: Симбирск — Сембирск. Жителя Симбирска называли «симбирец» или «сембирец», а его потомок, по русской словообразовательной традиции, получал фамилию Сембирцев — то есть «сын сембирца».

Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с тюркским личным именем или прозвищем. В тюркских языках есть корень «сембир» или «симбир», который мог означать «крепкий», «устойчивый» или быть частью составного имени. Однако в пользу топонимической версии говорит характерный суффикс -ец, который в русских фамилиях почти всегда указывает на выходца из определённого места (ср. ростовец — Ростовцев, тамбовец — Тамбовцев). Суффикс -ев в окончании стандартен для фамилий, образованных от основ на мягкий согласный или -ц.

Таким образом, носитель фамилии Сембирцев — это, скорее всего, потомок человека, который переселился из Симбирска (или окрестностей) в другую местность и получил прозвище «Сембирец» по месту прежнего жительства. Географически фамилия тяготеет к Поволжью и прилегающим регионам, что косвенно подтверждает её связь с Симбирском. В дореволюционных метрических книгах эта фамилия встречается в основном в Симбирской и соседних губерниях, что делает версию с городом наиболее обоснованной.